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摘要：在空气调节系统中，常常将水作为输送冷热源的介质和冷水机组的冷却剂，因此水系统是中央空调系统的一个重要组成成分，水系统设计的好坏直接影响到整个中央空调系统的效果以及能耗。而水泵改造则是中央空调水系统能耗优化中比较常见和有效的节能改造方式。本文通过讨论研究几种常见的中央空调水泵节能改造方式，分析不同方式的优缺点以及适用条件，从而为水系统节能改造提供参考借鉴。
关键词：中央空调系统；水系统；水泵节能改造
引 言
中央空调系统是建筑内不可缺少的配套设备系统之一。中央空调设备作为用电大户，电能的消耗非常大，几乎占了建筑内用电量的50%，在能耗方面的开支费用颇巨。
在设计时，中央空调系统必须按建筑所在地天气最热、负荷最大时设计，并且留有10-20%设计余量，然而实际上绝大部分时间系统的机组是不会在满负荷状态下运行的。这样会造成对水系统进行设计时，在对冷却、冷冻水泵的选择上，普遍存在设计预留偏大的问题而导致选取的水泵扬程偏大。在此种情况下，机组运行时除了会造成能量的极大浪费外，选取的水泵扬程过大，往往会令管道内流量增加，使得水泵噪音加大，还使得水泵电机负荷加大，电流加大，发热加大，可能会导致电机烧坏，恶化了中央空调系统的运行环境和运行质量。
如今节能降耗已成为时代的潮流，本文研究重点是对中央空调水系统中水泵能耗的分析，讨论如何通过水泵节能改造来达到降耗的目的，以及几种常见改造方式的优缺点。
一、空调水系统介绍
（一）空调水系统概述
中央空调水系统即为一小型的半集中式风机盘管系统，将室内负荷全部由冷热水机组来承担。各房间风机盘管通过管道与冷热水机组相连，靠所提供的冷热水来供冷和供热。水系统布置灵活，独立调节性好，舒适度非常高，能满足复杂房型分散使用、各个房间独立运行的需要。典型中央空调水系统主要由冷冻水循环系统、冷却水循环系统及主机三部分组成。
（二）空调水系统各部分工作原理
1、冷冻水循环系统
该部分由冷冻水泵、室内风机及冷冻水管道等组成。从冷冻主机蒸发器流出的低温冷冻水由冷冻水泵加压送入冷冻水管道（出水），进入室内进行热交换，带走房间内的热量，最后回到主机蒸发器（回水）。室内风机用于将空气吹过冷冻水管道，降低空气温度，加速室内热交换。
2、冷却水循环部分
该部分由冷却水泵、冷却水管道、冷却水塔及冷凝器等组成。冷冻水循环系统进行室内热交换的同时，必将带走室内大量的热能。该热能通过主机内的冷媒传递给冷却水，使冷却水温度升高。冷却水泵将升温后的冷却水压入冷却水塔（出水），使之与大气进行热交换，降低温度后再送回主机冷凝器（回水）。
3、冷水机组
冷水机组由压缩机、蒸发器、冷凝器及节流装置等组成，其工作循环过程如下：首先低压气态冷媒被压缩机加压进入冷凝器并逐渐冷凝成高压液体。在冷凝过程中冷媒会释放出大量热能，这部分热能被冷凝器中的冷却水吸收并送到室外的冷却塔上，最终释放到大气中。随后冷凝器中的高压液态冷媒在流经蒸发器前的节流降压装置时，因为压力的突变而气化，形成气液混合物进入蒸发器。冷媒在蒸发器中不断气化，同时会吸收冷冻水中的热量使冷冻水达到较低温度。最后，蒸发器中气化后的冷媒又变成了低压气体，重新进入压缩机，如此循环往复。
二、水系统节能改造必要性分析
由于设计时，中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时设计，并且留10-20%的设计余量，然而实际上绝大部分时间空调系统是不会运行在满负荷状态下，存在较大的富余，所以节能的潜力就较大。其中，冷水机组可以根据负载变化随之加载或减载，但是冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应调节，存在很大的浪费。
水泵的流量与压差是靠阀门和旁通调节来完成，因此不可避免地存在较大截流损失和大流量、高压力、低温差的现象，不仅大量浪费电能，而且还造成中央空调最末端达不到合理效果的情况。为了解决这些问题需使水泵随着负载的变化调节水流量并关闭旁通。
再因水泵采用的是Y-△起动方式，电机的起动电流均为其额定电流的3～4倍，一台90KW的电动机其起动电流将达到500A，在如此大的电流冲击下，接触器、电机的使用寿命大大下降，同时，起动时的机械冲击和停泵时水锤现象，容易对机械散件、轴承、阀门、管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备品、备件费用。
由此可见，对于中央空调系统来说，最常见的方式是通过对水系统中的水泵进行改造来降低整个系统的能耗，从而达到节能的目的。
三、空调水泵能耗情况分析
中央空调系统的耗电占公共建筑及大型商业项目耗电的40～60%，而水泵耗电占到空调系统耗电的20～30%，水泵节电已经引起专业内外人员的广泛关注。
空调水泵的主要性能参数为流量Q，扬程H，转速n，轴功率Pe，效率η。图1是水泵的性能曲线图，从图上可以看出：每台泵都可以在一个宽广的流量和扬程范围内安全运行，但是都有一个运行效率较高的经济使用流量区间。因为超出经济使用流量区间使用时，其运行效率将显著下降。图2是水泵运行的经济工作区和工作点图示，水泵运行工作点是选定水泵的性能曲线与管道阻力特性曲线的交点。
空调水泵电耗（输入功率）的计算公式：
P = Pe/η
P = ρ.g.Q.H/η （1）
说明：P——电机输入功率
ρ——输送流体的比重，kg/ m3
g ——重力加速度，m/ s2
Q ——流量，m3/s
H ——扬程，m
η——效率
式（1）中水泵输送的介质是空调冷冻水或冷却水，温度变化范围不大，其中ρ，g可当做是常量，可见空调水泵的电机输入功率是由空调水的流量、水泵扬程和水泵效率确定的。而其实这三个参数是相互关联的，是由水泵的性能曲线和管道阻力特性曲线确定的，而管道的阻力特性曲线是通过直角坐标的一条抛物性。通常在一定的管路系统中输送设计所需流量，当流体流动时产生的总阻力：
Hw=KQ2 （2）
式中，K称为管路特性系数，当管道的长度、面积及配件阻力为已知时，K为定值，由此可见，对已经设计安装好的冷却水管路系统，流体流动时产生的阻力只是与流经的流量平方成正比。
因此，对于已经设计安装好的冷却水管路系统，冷却水泵的耗电只是取决于冷却水的流量、水泵扬程和水泵效率。
根据泵和风机的相似定律，同一台水泵，输送相同的介质，在不同转速N、Nm时的流量、扬程和功率存在以下换算关系：
流量：Q/Qm = N/Nm （3）
扬程：H/Hm =（N/Nm）2（4）
功率：P/Pm =（N/Nm）3 （5）
四、空调水泵常见节能改造方式分析
空调水泵的耗电是由空调水的流量、水泵扬程和水泵效率确定的。而实际工作过程中空调水的流量、水泵扬程和水泵效率取决于水泵的实际工作点。实际工程中，往往由于设计裕量过大，施工验收粗放，使得空调水系统的人为阻力过大，导致水泵的实际工作状态点远远偏离设计工作状态点，更是偏离理想工作状态点。
图3 水泵经济工作区和工作状态点
图3中，假设A点是符合管路特性曲线和冷水机组工作条件的理想工作状态点，因设计裕量过大，水泵采购配置时再进一步放大，施工过程粗放，操作调节不当等，往往使实际工作状态点远远偏离设计工作状态点和理想工作状态点。图中B点是设计工作状态点，而C点是实际工作点。从图中曲线可以看出：实际工作状态点C甚至超出了水泵的经济工作区，致使水泵运行效率很低，且流量和扬程都远远高过理想工作点。根据我们实施的工程实践，宽调水泵系统往往存在20～70%的节能空间。由此可见，进行空调水泵的节能改造，就必须进行现场测试，找到水泵的实际工作状态点与理想工作状态点之间的差异，确认最终的节能改造措施，以保证改造后的实际工作状态点尽可能接近理想工作状态点。
（一）空调水泵的节能改造方式---节流
空调水泵的实际运行状态点之所以远远偏离设计工作点，归根结底，是因为管道系统的实际阻力远小于设计估算阻力，水泵扬程的裕量过大，致使水泵运行工作状态点从B点往右偏移至C点。如果关小冷却水管道系统的阀门（如水泵出口阀门、冷水机组进出水阀门等）以增大管道系统的阻力，使管路阻力特性曲线变陡，从而可以使水泵的实际工作点C点沿着水泵的性能曲线向左（流量减小的方向）移动，直到冷水机组的额定流量（水泵理想工作状态点的流量）A’点，水泵的耗电降低，如图4所示。这种方法是以增大管道系统的阻力为代价，有效功率减小有限，因而节能效果并不明显。
在普遍的水泵和风机调试的实践工程中，有时因为设计裕量过大，如果管道系统的阀门全开，我们会发现电机温升过高，电机过载，甚至烧毁电机，这时，通过适当地关小管路阀门人为增加管道系统的阻力，水泵和风机就能安全运行了。但这只是一种比较粗放的调试验收过程，没有去认真思考问题所在，没有去定量地、准确地调试系统，不是从系统的角度去贯彻节能，这样的做法并不符合长远的发展。
（二）空调水泵的节能改造方式---变频调速
降低水泵电机的供电频率可以降低水泵的转速，根据上面阐述的水泵的相似定律可知：降低水泵的转速，可同时减小水泵的流量和扬程，从而使泵的工作点C沿着管道阻力特性曲线向流量减小的方向移动，直至到达冷水机组的额定流量（水泵理想工作状态点的流量）A’点，降低水泵的耗电，如图5所示。这种方法尽管也能消除过剩流量，但由于离心泵是按照水力特性最佳的条件设计的，这些条件就包括泵的转速和几何尺寸，泵只有在转速和几何尺寸都按同一比例改变（相似改变）时，才能保持其最高效率（铭牌效率）不变；否则，效率必定降低。变频调速只是降低了水泵的转速，却不可能按与转速相同的比例减小泵的几何尺寸，这种不相似改变必然导至水泵效率降低。特别是当设计裕量过大，需要大辐度降低转速才能达到理想流量时，变频降速会使水泵内部损耗急剧增大，实际的节能效果大打折扣。只是当水泵的裕量不是很大（通常不超过20%时），而且原有水泵本身很新时，才建议采用变频调速的方法来节能改造空调水泵系统。
还有需要引起重视的一点是：大功率变频器本身也需要消耗其额定功率的3～5%的耗电，而且大功率变频器是电网的最大污染源，它们在运行时产生的高次谐波会严重干扰所处电网的通讯系统，并影响其它用电设备的供电质量和电能转换效率。因此变频节能技术需在采取了相应的抗干扰措施之后方可慎用，尤其是在指挥中心、电信部门、医院等通讯中心，有精密设备的场所更是如此。通常情况下，安装变频器的供电回路不宜与对供电高要求的精密设备的供电回路共用变压器。
（三）空调冷却水泵的节能改造方式---更新水泵
空调系统的冷却水管道系统相对固定，而且空调冷却水温和空调冷却水流量共同决定冷水机组的冷凝温度，即影响冷水机组运行能效。而冷却塔的出水温度由周围环境的湿球温度和流过的冷却水流量共同决定。冷却塔冷却水的能力是考虑当地的气候条件，以冷水机组的额定流量为依据合理配置的，因此冷却水泵按照冷水机组的额定流量配置即可保证足够低的冷却水温，也保证足够大的冷却水流量，即保证冷水机组尽可能得到充分的冷却效果，保证冷水机组运行能效。实际工程的误区之一是以为冷却水流量愈大，冷却效果愈好。实际上是冷却水流量过大，冷却塔的能力有限，这时冷却塔的出水温度，即冷水机组的进水温度会偏高，而冷水机组基本上都是下进上出的，也就是冷水机组的进水温度与冷凝温度，与冷水机组的能效密切相关。实际工程的误区之二是盲目加大冷却塔或者多开冷却塔，实际上冷却塔的出水温度与周围环境的湿球温度密切相关。因此，冷却水泵配置的要点是：以冷水机组的额定流量为依据合理配置。
冷却水泵系统最合理的节能改造策略是：按照水泵的理想工作状态点A的流量和扬程选定新的冷却水泵，如图6所示，相当于冷却水泵的工作状态点从C点沿管道阻力特性曲线移动至A点。这样新的冷却水泵尽最大可能的削减了原有冷却水泵的剩余流量和扬程，并且保证水泵运行在效率尽可能高的工作状态点，从而实现最大限度的节能。
五、结论
空调水系统是中央空调系统中十分重要的关键子系统，其性能的好坏、能耗的效果不单影响到空调正常的运行，更重要的是影响到建筑内设备的安全及建筑运营的成本。本文针对目前中央空调水系统中水泵的节能问题进行了研究，分析了影响冷却、冷冻水泵能耗的因素，并提出了相应的解决方法。
本文所完成的工作如下：
1、分析了中央空调水系统基本情况；
2、简析空调水系统节能改造的必要性；
3、空调水泵运行耗电影响因素分析；
4、空调水泵的节能改造策略的比较。
不同的水泵改造方式都各有不同优缺点，适用于不同场合、不同情况下的水系统改造工程。对水系统的节能改造必须结合好现场实际，综合考虑，从而选择出最合适的方案。
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论文作者:王栋,王浜
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第27期
论文发表时间:2018/3/2
标签：水泵论文; 流量论文; 冷却水论文; 系统论文; 扬程论文; 节能论文; 工作论文; 《建筑学研究前沿》2017年第27期论文;